气固两相湍流边界层流动特性及多场多尺度耦合机理的研究

气固两相等温/非等温边界层流动广泛存在于能源、冶金、化工等关键工程领域，其中复杂的湍流拟序结构、传热、离散颗粒的相互耦合作用控制着近壁区两相流动的动量和能量传递过程。但是国内外缺少对具有工程背景的中高雷诺数的气固两相、具有传热效应和粗糙壁面的湍流边界层流动的系统研究。为了探索气固两相湍流边界层的流动特性及多场多尺度耦合作用机理，本项目拟发展高精度的数值模拟理论和方法，并结合现代测量技术对中高雷诺数气固两相、考虑传热效应和有壁面粗糙度影响的湍流边界层流动问题进行数值模拟和实验研究，从而揭示其流动特性、湍流转捩规律、拟序涡的拓扑结构及其多场多尺度耦合作用规律；探讨湍流边界层中多尺度的涡结构对颗粒扩散、局部聚集、沉积和再悬浮特性，以及对相间热交换过程的影响。从而建立新的气固两相湍流边界层的湍流结构模式，并提出新的气固两相近壁湍流的大涡模拟模型，为工程应用奠定基础。

气固两相边界层流动广泛存在于自然界、工业以及环境领域中。由于湍流本身的复杂性以及气固两相湍流边界层中速度场、温度场和颗粒浓度场之间的多场多尺度复杂强非线性耦合作用，人们对与能源动力工程领域密切相关的气固两相湍流边界层的系统性研究至今仍是一片空白。本项目采用自主开发的高精度数值模拟方法和先进的实验测量技术对中高雷诺数单相、气固两相、考虑传热效应和壁面粗糙度效应的湍流边界层开展了直接数值模拟和实验研究。. 研究发现，颗粒的存在提高了流场的平均速度，从而导致边界层厚度减小以及壁面摩擦阻力增大。此外，颗粒显著延迟了边界层转捩的发生。在近壁面颗粒增强了流体的流向脉动速度，但却削弱了边界层外层的速度脉动。随着颗粒粒径和浓度的增加，雷诺应力以及法向和展向上的脉动速度逐渐减弱。. 在气固两相湍流热边界层中，颗粒的存在增大了近壁流体的速度和温度梯度，从而导致壁面摩擦阻力提高以及流体与壁面间的对流换热增强。颗粒削弱了涡结构的拟序性，但却显著增强了条纹结构的拟序性，同时条纹间距变宽。此外，颗粒壁面浓度沿流向的分布与流体壁面摩擦阻力系数沿流向的变化存在着相似性。随着湍流向下游发展，涡结构的拟序性逐渐减弱，颗粒的优先富集特性逐渐消失。. 在粗糙壁面湍流边界层中，粗糙元的存在提高了流动阻力，从而导致流向速度降低。粗糙元的阻塞效应促使流向上的能量向展向和法向上转移，因此流向脉动速度减小，而法向和展向上的速度脉动增加。当边界层中加入颗粒后，颗粒削弱了粗糙元对边界层的影响。粗糙元诱导产生的喷射和清扫事件将近壁面的颗粒输运到外层，因而降低了近壁面颗粒的优先聚集特性。. 本项目的研究揭示了气固两相湍流边界层的流动特性及多场多尺度耦合作用机理，可为减阻、强化边界层传热等工程实际问题提供理论指导，为复杂湍流模型的构建、发展和改进提供理论支撑和基础数据库，并推动多相流理论的进一步发展。